Critical current properties and flux pinning in Ba122 superconductors

Abstract

Ba122 ist eine sehr vielversprechende Verbindung für experimentelle und theoretische Untersuchungen in der Familie der Eisensupraleiter. Supraleitung wird in diesem System durch das Dotieren von Elektronen (Co), Löchern (K) oder durch isovalente Dotierung hervorgerufen. Die Phasendiagramme all dieser Verbindungen haben das gemeinsame Auftreten von Antiferromagnetismus und Supraleitung im unterdotierten Bereich gemeinsam. Die Dotierung der nicht supraleitenden Startverbindung unterdrückt die antiferromagnetische Phase bis bei einer bestimmten Dotierungskonzentration die Néel Temperatur verschwindet. Bei dieser Dotierungskonzentration wird auch die Existenz eines quantenkritischen Punktes diskutiert. Supraleitung tritt in der antiferromagnetischen Phase auf und die kritische Temperatur Tc nimmt mit steigender Dotierungskonzentration zu, bis ein Maximum bei der sogenannten optimalen Dotierung erreicht wird. Weiteres Dotieren führt zu einer Abnahme von Tc und zur Bildung einer kuppelförmigen supraleitenden Phase welche sich in der Nähe der antiferromagnetischen Phase befindet.Ein wichtiger Parameter für Anwendungen ist die kritische Stromdichte Jc die stark von der Flussverankerung an Inhomogenitäten im Material abhängt. Eine frühere Arbeit entdeckte eine Spitze in der Dotierungsabhängigkeit von Jc in Co, P und K dotiertem Ba122, wobei Tc deutlich weniger variierte. Die scharfe Spitze in Jc ist unerwartet, weil eine vergleichbare Dotierungsabhängikeit wie von Tc erwartet werden würde. Eine experimentelle Methode um diesen Unterschied zu untersuchen ist die Bestrahlung mit Neutronen, welche im Versuchsreaktor am Atominstitut durchgeführt werden kann. Dazu wurden die kritische Stromdichte und die kritische Temperatur der Proben vor und nach der Bestrahlung gemessen. Jc wurde aus der irreversiblen Magnetisierung berechnet welche mit Hilfe eines SQUID-Magnetometers und eines Vibrationsmagnetometers gemessen wurde. Die kritische Temperatur wurde durch Wechselfeldsuszeptibilitätsmessungen bestimmt. Die qualitativ sehr hochwertigen Einkristalle für diese Untersuchungen wurden vom Material Science Department of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba in Japan zur Verfügung gestellt. Einkristalle aller drei Dotierungen mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen welche die kuppelförmige supraleitende Phase abdecken standen zur Verfügung.Nach der Neutronenbestrahlung verschob sich die Spitze in der Dotierungsabhängigkeit von Jc in allen drei untersuchten Systemen zu einer höheren Dotierungskonzentration und verbreiterte sich. Die Dotierungsabhängigkeit von Jc nach der Bestrahlung war vergleichbarer mit der kuppelförmigen supraleitenden Phase die durch die Dotierungsabhängigkeit von Tc entsteht. Dieser ähnliche Verlauf führte zur Entdeckung eines Potenzgesetzes zwischen Jc und Tc in den bestrahlten Proben, welches durch Zusammenhänge zwischen supraleitenden Parametern und Tc erklärt wurde. Dieses Potenzgesetz scheint universell für Ba122 zu sein, es ist aber nicht klar ob es auch für andere Hochtemperatursupraleiter gilt. Das Potenzgesetz findet man nicht in den unbestrahlten Proben, was darauf hindeutet, dass die Dotierungsabhängigkeit von Jc durch die Dotierungsabhängigkeit der Flussverankerungseffizienz hervorgerufen wird. Die Dotierungsabhängigkeit der Flussverankerungseffizienz der unbestrahlten Kristalle wurde mit Hilfe des Potenzgesetzes berechnet und nimmt von ihrem höchsten Wert im unterdotierten Bereich mit weiterer Dotierung ab. Der unterdotierte Bereich ist jener Bereich, in dem Supraleitung und Antiferromagnetismus gemeinsam auftreten. Ein besseres Verständnis der Flussverankerung in Ba122 könnte dabei helfen die kritischen Ströme dieses Materials für zukünftige Anwendungen zu verbessern. Außerdem könnte die Erweiterung des Potenzgesetzes auf andere Hochtemperatursupraleiter zu einem besseren Verständnis der Hochtemperatursupraleitung führen.

In the family of iron based superconductors Ba122 is a very fruitful compound for experimental and theoretical investigations. Superconductivity is induced in this system through electron doping (Co), hole doping (K) or isovalent doping (P). All these compounds have similar phase diagrams where, in the under-doped region, superconductivity and antiferromagnetism are in close proximity. Doping the parent compound suppresses the antiferromagnetic phase until, at a certain concentration, the Néel temperature vanishes. At this concentration a Quantum Critical Point is speculated to be hidden in the superconducting region. Superconductivity emerges in the antiferromagnetic phase and the critical temperature, Tc, increases with increasing dopant concentration until a maximum is reached where the sample is optimally-doped. Higher dopant concentration results in a suppression of Tc. This leads to a superconducting dome in the phase diagram with close proximity to the antiferromagnetic phase.A very important parameter for applications is the critical current density, Jc. This parameter strongly depends on flux pinning resulting from inhomogeneities in the material. Previous studies observed a sharp peak in the doping dependence of Jc in the Co-, P- and K-doped system, while Tc varies much smoother around the maximum. This sharp peak in Jc is unexpected since a similar variation as for Tc is expected. A suitable experimental technique to tackle this mismatch is neutron irradiation which can be carried out at the research reactor of the Atominstitut. Therefore, the critical current density and the critical temperature of all three doping systems of Ba122 were measured prior to and after the neutron irradiation. Jc was obtained from the irreversible magnetization measured in a Superconducting Quantum Interference Device magnetometer and in a Vibration Sample Magnetometer. Tc was obtained by AC susceptibility measurements.The high quality single crystals for these investigations were provided by the Material Science Department of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba, Japan. Crystals of all three doping systems of Ba122 were available with different doping concentrations covering the superconducting dome of each system.After neutron irradiation, the peak in the doping dependence of Jc shifts to higher dopant concentrations, broadens and roughly follows the shape of the doping dependence of the respective Tc in all three doping systems. Moreover, a power law between Jc and Tc was observed in all irradiated crystals, which is explained by relations between superconducting parameters and Tc. The power law seems to be universal for Ba122, however, it is not clear at the moment if it also holds for other high temperature superconductors. The power law does not hold for the pristine crystals which indicates that the doping dependence of Jc results from the doping dependence of the pinning efficiency which was calculated for the pristine crystals using the power law correlation. It showed a larger pinning efficiency in the under-doped area which decreases with further doping for all three doping systems. The under-doped area is the area where superconducticity and antiferromagnetism are in close proximity.Further understanding of the flux pinning in Ba122 can help to improve the critical current properties of this material for future applications. Moreover, the extension of the power law found in this thesis to other high temperature superconductors could lead to a better understanding of high temperature superconductivity.